摘要：高功率半導體激光器工作時，有源區會產生大量的熱，降低激光器輸出功率，縮短使用壽命。金剛石具有高熱導率特性，將其作為過渡熱沉將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。本文介紹使用金剛石作為過渡熱沉的高功率半導體激光器的封裝工藝，測試激光器輸出特性，進行了歸納總結，為對金剛石熱沉封裝高功率半導體激光器設計有需求的項目提供了參考意見，具有一定借鑒意義。
關鍵詞： 金剛石；CVD金剛石；封裝；過渡熱沉；半導體激光器
引言
高功率半導體激光器具有電光效率高、易調制、體積小、重量輕等優點，廣泛應用于激光通信、激光打印、醫療儀器等方面 。隨著高功率半導體激光器的發展，由于熱效應影響，降低了激光器的輸出功率、電光轉換效率，甚至減少激光器使用壽命或者導致激光器失效等問題已不容忽視。
金剛石由于具有高熱導率對于高功率半導體激光器擁有廣泛的應用前景，使用金剛石作為高功率半導體器件的熱沉將大大提高這些器件的性能 。目前高功率半導體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結在銅熱沉上。隨著金剛石制造技術的大力發展，金剛石的成本得到降低，使得金剛石得到了廣泛的應用 。目前人造金剛石熱沉的熱導率最高已經達到 1800W/（K·m）以上，遠遠大于氮化鋁和銅的熱導率。若將其作為過渡熱沉，將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。
理論分析
高功率半導體激光器封裝對過渡熱沉的要求主要有兩個方面，低熱阻與低熱失配。過渡熱沉熱導率越高越可以有效地降低激光器熱阻，同時需考慮芯片與熱沉的熱膨脹系數匹配程度，根據需求選擇合適的燒結焊料，減少熱失配，進而提高高功率半導體激光器輸出特性。
圖 1 高功率半導體激光器結構示意圖
由傅里葉定律得：
R 為熱阻，h 為焊料層厚度， K 為熱導率，S 為垂直熱流方向的導熱面積。因此在其他條件相同的情況下，激光器的熱阻與熱導率成反比關系，熱沉材料的熱導率越高，越可有效降低器件熱阻。相比于熱導率為 230W/（K·m）的氮化鋁過渡熱沉，金剛石熱沉的高熱導率作為高功率半導體激光器的過渡熱沉可顯著提高激光器的散熱效果。
芯片與過渡熱沉的熱膨脹系數失配產生熱應力，熱應力會影響半導體激光器輸出功率、光譜寬度、可靠性等，因此需選用與激光器芯片熱膨脹系數更加匹配的熱沉材料。芯片材料為砷化鎵，熱膨脹系數為 4.5×10 -6/K，氮化鋁熱沉熱膨脹系數為 4.5×10 -6/K，相比于金剛石熱沉，使用氮化鋁熱沉封裝芯片熱失配度更低。因此，若采用金剛石熱沉作為過渡熱沉封裝激光器時，宜采用軟焊料封裝，可減少熱失配引入的熱應力。
封裝工藝
高功率半導體激光器的封裝工藝將直接影響它的工作特性、輸出光功率、壽命、穩定性等特征。封裝工藝流程包括一次燒結、二次燒結、鍵合、測試、老化等。
為消除封裝熱應力，減少芯片形變，封裝時采用銦焊料。使用真空蒸發臺將高純度銦蒸發于 CVD 金剛石熱沉上，蒸鍍時須嚴格控制蒸距、電流、加電速率等參數
一次燒結為使用甲酸燒結臺將芯片貼裝于蒸有銦焊料的CVD 金剛石熱沉上。對于高功率半導體激光器而言，一般采用倒裝燒結的封裝方式，更有助于芯片散熱。在燒結時會通入一定流量的摻有甲酸的氮氣，甲酸作為還原劑可提高燒結質量，氮氣作為保護氣體防止焊料氧化。在燒結時使用大小合適的真空吸頭吸取芯片，放置于 CVD 金剛石熱沉合適位置上，該過程中使用 CCD 相機監控。
二次燒結為使用甲酸燒結爐將一次燒結好的芯組燒結于F-mount 載體上。本文使用的半導體單管芯片為單發射腔器件，一般情況單發射腔器件的輸出功率相對較低，連續輸出功率通常不超過 30W，可通過銅熱沉的傳導將熱散掉，因此本文采用傳導冷卻式被動散熱的 F-mount 封裝形式。
由于一次燒結使用銦焊料，二次燒結需選用與銦焊料有燒結溫度梯度的焊料，因此選用銦錫焊料，根據芯組大小選取合適的焊料用量，加入適量助焊劑防止焊料氧化，提高燒結質量。
鍵合為使用金絲球焊機將芯片的上下電極與 F-mount載體上過渡電極相連接。鍵合線選用金絲作為電流注入引線。鍵合過程中需注意焊接功率、時間、底溫等參數，鍵合完成后需檢驗金絲鍵合拉力是否滿足要求、焊點是否牢固。
圖 2 激光器實物圖
為驗證 CVD 金剛石熱沉作為過渡熱沉的封裝效果，本文選用激射波長 976nm 的同批次半導體激光器芯片共 5 只，芯片腔長 4mm，發光孔徑 200μm，封裝完成的激光器如圖 2 所示。
測試與結果分析
測試時采用半導體激光器測試系統進行測試，測試過程中通過溫度控制器對激光器進行溫度控制，發光面正對積分球，積分球通過光纖外接功率計與光譜儀，激光器電源、電壓表、電流表、功率計、光譜儀均與電腦連接，可通過半導體激光器測試系統軟件控制，使用該系統測試激光器輸出功率、閾值電流、工作電壓、中心波長、光譜半寬，可計算斜率效率、光電轉換效率等參數。
首先測試激光器熱阻。激光器熱阻表示為 R th，根據熱阻的定義：耗散單位熱功率引起的溫升，熱阻 R t h 可用公式
式中 ?T 為有源區溫升， Pt 為熱功率。
半導體激光器有源區溫升不易測量，可通過波長漂移量?λ 計算可得：
式中 λ(T ) 為波長漂移系數。
激光器熱功率 Pt 的計算公式為：
式中 P 為注入電功率， Pop 為激光器輸出功率。
熱阻 Rth 可表示為：
激光器結溫 Tj 的計算公式為：
式中 Ta 為熱沉溫度。
使用波長漂移法測得激光器熱阻。測量熱沉溫度分別為20℃、25℃、30℃、35℃時，10A 工作電流條件下激光器波長的變化，測試結果如圖 3 所示，計算可得該器件的波長漂移系數為 0.308nm/℃。
圖 3 不同溫度時的波長變化曲線
熱沉溫度設定值為 20℃時，測試并記錄不同電流條件下的激光器輸出功率、中心波長以及激光器工作電壓，由公式可計算出不同電流條件下的激光器熱功率，進而可得出激光器中心波長與激光器熱功率關系的擬合曲線，如圖4 所示，計算可得dλ / dP t =0.535nm/W
圖 4 波長與激光器熱功率關系曲線
由公式可得激光器的熱阻為 1.74℃ /W，激光器注入電流 25A 時芯片結溫為 53.94℃。
使用氮化鋁熱沉作為過渡熱沉封裝同批次芯片 5 只，封裝完成后采用同種方式測試激光器熱阻，可得氮化鋁熱沉作為過渡熱沉封裝的激光器熱阻為 2.91℃ /W。由此可見，金剛石過渡熱沉與傳統的氮化鋁過渡熱沉相比可有效降低激光器熱阻。
圖 5 激光器 P-I 曲線
圖 6 25A 條件下的中心波長與光譜半寬
測試使用金剛石熱沉作為過渡熱沉的激光器在注入電流 0-25A 時的輸出功率、中心波長、光譜半寬、閾值電流，F-mount 熱沉溫度設定為 20℃。P-I 曲線如圖 5 所示，25A條件下激光器輸出功率平均值為 24.0W，25A 時中心波長與光譜半寬典型值如圖 6 所示，中心波長為 980.19nm，光譜半寬 4.04nm，激光器閾值電流典型值為 0.95A，激光器的光電轉換效率如圖 7 所示:
圖 7 轉化效率與電流的關系
結論
本文使用 CVD 金剛石作為過渡熱沉封裝高功率半導體激光器，激光器熱阻為 1.73℃ /W，與傳統的氮化鋁熱沉相比，選擇金剛石熱沉作為過渡熱沉可有效降低熱阻。在連續電流條件下測試激光器的輸出特性，閾值電流為 0.95A；在電流為 25A 時，激光器功率為 24.0W，中心波長 980.19nm，光譜半寬 4.04nm，在注入電流 0-25A 范圍內，激光器輸出功率并未出現飽和趨勢，說明金剛石熱沉可明顯改善大電流條件下激光器散熱問題，提高激光器輸出特性。因此在大電流條件下，針對高功率半導體激光器的散熱問題，擁有高熱導率的金剛石熱沉作為過渡熱沉是有顯著優勢的。
相關文獻：
DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2020.23.029
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